金屬的結(jié)構(gòu)和特性

國(guó)際焊接工程師可選途徑墻訓(xùn)班預(yù)備班材料基礎(chǔ)知識(shí)薛

小

懷

副

教

授上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院簡(jiǎn)歷西安石油學(xué)院焊接工藝與設(shè)備本科(195)西安交通大學(xué)焊接工藝與設(shè)備碩士(1998)中

國(guó)

科學(xué)院金屬研究所材料加工工程博士

(2001)上海交通大學(xué)博士后流動(dòng)站(2003)上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(至今)021-54744246021-54744246聯(lián)

系

方

式絕大部分金屬和合金都屬于晶體。晶

體的特

點(diǎn)：基本質(zhì)點(diǎn)在空間規(guī)則排列，具有規(guī)則的外形；具有

一

定熔點(diǎn)；各向異性。晶體的結(jié)構(gòu)：全

星為了研究晶體中原/分子的排列情況，將其抽象為幾何點(diǎn)并用直線連接起來(lái)形成的三維空間格架稱(chēng)為晶格，交點(diǎn)稱(chēng)為結(jié)點(diǎn)，組成晶格的最小幾何單元稱(chēng)為晶胞。體和晶胞金金的等應(yīng)簡(jiǎn)單立方晶體)

一

晶體結(jié)構(gòu)

(b)

晶

格

(c)

晶胞全

及

考

起

文

體體

心立方晶胞(格，亂、、翻、能、a-Fe等(a)

棋型；

(b)

品胞；

(c)

品胞原于數(shù)交

務(wù)

色

醫(yī)

到金屬晶體的綾構(gòu)類(lèi)型(b)(a)面心

立方品胞(r-Fe、Al.Cu、Ni、Au、Ag、Pb等)(a)

模

型；

(b)

品胞；

(c)

品胞原于數(shù)全

第(c)(b)(a)密排六方晶胞(Mg、Zn.Be.Cd

等)(a)

模型；

(b)

品胞；

(c)

晶胞原子數(shù)全

真章動(dòng)及國(guó)晶體中原子排列的規(guī)律性，可以從晶面和晶向上反映出來(lái)

。

晶

體

中

各

種

方

位

上

的

原

子

面

叫

做

晶

面，

各

安

向

上

的原

子

列

叫

做

晶

向

。

金

屬

的

許

多

性

能

都

和

晶

體

中

的

特

定

晶

面和晶向有密切聯(lián)條。工程材料昌面指數(shù)域晶向指數(shù)全是條立方晶格中，[100]、

[110]

、

11]三種晶向最

重要。應(yīng)該指出，晶向指數(shù)所表示的不僅僅是一條直

線的位向，而是一族平行線的位向。即所有相互平行的

晶向，都具有相同的晶向指數(shù)。另外，原子排列相同但

空間位向不同的所有晶向稱(chēng)為晶向族，以

<uvw)

表

示。公

呈

基體立方晶格中幾個(gè)主要晶面和晶向全

及

臨

具

發(fā)

亂

存y[110](110)(111)y0{1111(001)由于同

一

晶格中不同晶面和晶向上原

子

排列的疏密程度不同，因而晶體在不同方向上表現(xiàn)響性能有所不同，即所謂晶體的“各向異性”。全

5實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)：在實(shí)際金屬中，不可避免地存在著一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域，這就是晶體缺陷。

一般說(shuō)染，金屬中這

些偏離其規(guī)定位置的原子數(shù)很少，從總體來(lái)看，其結(jié)構(gòu)還是

接近完整的。但是這些晶體缺陷不但對(duì)金屬及合金的性能有重大影響，而且還在擴(kuò)散、相變、塑性變形和再結(jié)晶警過(guò)程中扮演重要角色。金與經(jīng)量重原

子

脫

離

結(jié)

點(diǎn)

(

形

成

空

位

)

進(jìn)

入

晶

格

(

間

隙

原

子),在空位與間隙原子附近的平衡力場(chǎng)被破壞，使周?chē)脑?/p>

偏離原來(lái)位置，造成晶格的局部彈性畸變，稱(chēng)為晶格“

畸變”。金

層

院(1)點(diǎn)缺陷：在三維方向上的尺寸都很??；比如：空位、間隙原子。(2)線缺陷(位錯(cuò)):一

列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。刃型位錯(cuò)：EF為位錯(cuò)線。ABCD

面上方的原子受到壓應(yīng)力，下方則受到拉應(yīng)力。交界確應(yīng)面福到工程材料螺型位錯(cuò)：全

的(

3

)

面缺

陷：晶界：晶粒與晶粒之間的界面，晶粒之間的過(guò)渡層。相鄰晶粒之間位向差為20~40°,其特點(diǎn)為晶界上晶格畸變大、規(guī)則性差；位錯(cuò)、雜質(zhì)原予多，能量高。常溫硬度、強(qiáng)度高，高溫低，容易被腐做，原子擴(kuò)散速度快。全

第亞晶界：晶粒內(nèi)部也不是理想晶體，而是由位向差很小的稱(chēng)為嵌缞塊的小塊所組成，稱(chēng)為亞晶粒，

尺

寸

為10-4～10-6cm。

亞晶粒的交界稱(chēng)為亞晶界。晶粒大小一定，亞結(jié)構(gòu)越細(xì)，強(qiáng)度越高。工

程

材

料金

層

統(tǒng)品界過(guò)渡和亞結(jié)構(gòu)示意圖全

基

強(qiáng)晶粒晶粒間界晶粒Ⅱ晶粒2晶粒1晶界，e/晶體缺陷處晶格處于畸變狀態(tài)，外起晶體內(nèi)部產(chǎn)

生

內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致材料塑性變形抗力的增大，

從

而使金屬材

料在常溫下的強(qiáng)度、硬度提高。例如，生產(chǎn)中常用的壓力加工工藝、通過(guò)金屬材料的到性或形使晶體產(chǎn)生缺陷，達(dá)到金屬?gòu)?qiáng)化。用產(chǎn)生塑性變形使金程得的

強(qiáng)化的方法稱(chēng)為形變強(qiáng)化。全至的路題的理最純金屬：物理、化學(xué)性能良好，攻學(xué)性能差。價(jià)格昂貴、種類(lèi)有限。合

金：兩種或兩種金屬與金屬或與非金屬元素組成具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。強(qiáng)度、硬度、耐磨性高，是工程上使用得最多的金屬樹(shù)料。比如：黃銅

(Cu+Zn)、

鋼

(Fe+C)、

鋁合金等。合金的相結(jié)構(gòu)：組元

組成合金的元素，或穩(wěn)定化合物。極據(jù)組元多少合金可分為二元合金、多元合金。相：組元之間相互作用形成具有同

一

化學(xué)成分、間

一

結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界面互相分開(kāi)的、均勻的組成部分。固溶體的幾個(gè)基本概念；固溶體：

相

的

晶

體

結(jié)

構(gòu)

與

某

一

組

成

元素的晶體結(jié)

構(gòu)相

同

。固

溶

體

分

為

間

隙

固

溶

體

和

置

換

困

溶

體

。相

可

以

分

為

固

溶

體

和

金

屬

化

物。置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)位置而形成的圍

溶體

(溶刺與燥質(zhì)原子尺寸相玩，直徑差別較小，大于15%就很難形成置固溶體)。間隙固溶體：溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙中而形成

的

固

溶

體

稱(chēng)

為

間

隙

固

溶

體

，

其

中

的

婆

質(zhì)

原

子

不

占據(jù)晶格的正常位置。只有溶質(zhì)原子與溶劑原子的直徑之比小于0.59時(shí)，前念形戰(zhàn)間隙固溶體。通常，間隙固溶體都是由原子直徑很小的碳，

氮、氫、硼、氧等非金屬元素溶入過(guò)渡族金屬元素的晶格間

隙中而形成的。合4固溶體的溶解度：源質(zhì)原子溶人

源

體

的

極

限

濃

度。據(jù)此可以分為有限固溶、無(wú)限固溶。影響溶解度的因素有原子尺寸、晶格類(lèi)型、包化學(xué)性質(zhì)以及電子濃度等。固

溶體的性

能：由

于溶質(zhì)原子尺寸與溶劑原子不同，其晶招卻會(huì)產(chǎn)生畸變。由于晶格畸變?cè)黾恿宋诲e(cuò)移動(dòng)的阻力，使滑移變形難以遜行，因此固溶體的強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性則有所下降。這種通過(guò)溶入某種溶質(zhì)元素來(lái)形成固溶體而使金屬的強(qiáng)皮、硬度提高的現(xiàn)象稱(chēng)為固溶強(qiáng)化。金屬化合物金屬化合物是合金組元間相互作用所形成的一種晶格類(lèi)型及性能均不同于任一組元的合金固相。一

般可用分子式大致表示其組成。金屬化合物一

般有較高的熔點(diǎn)、較高的硬度和較大的脆性。合金中出現(xiàn)化合物時(shí)，可提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，

但降低塑性。(

1

)

正

常價(jià)化合物周期表上相距較遠(yuǎn)，電化學(xué)性質(zhì)相差較大的兩無(wú)東容易形成正常價(jià)化合物。其特點(diǎn)是符合

一

般化合物的原子價(jià)規(guī)律成分圖定，

并可用化學(xué)式表示。如Mg?

Pb

、Mg?Sn、Mg?Si、MnS

等。性能特點(diǎn)：高的硬度和脆性。彌散分布于圖溶體基體中時(shí)，將起到強(qiáng)化相的作用，使合金強(qiáng)化。(2)

電

子化合物由

第I

族或過(guò)渡族元素與第Ⅱ至第V族元素結(jié)合而成的。它們不遵循原子價(jià)規(guī)律，而服從電子濃度規(guī)律。電子濃度指合金中化合物的價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目之比。性能特點(diǎn)：高的熔點(diǎn)和硬度，但塑性較低，

一

般只能

作

為

強(qiáng)

化相存在于合金特別是有色金屬合金中。(3)

間

隙化

合

物由

過(guò)渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的金屬化合物。金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w狀態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為結(jié)

晶

(

或

一

次

結(jié)

晶

)

。把

一

種固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱?/p>

一

種固態(tài)稱(chēng)為二次結(jié)品。液態(tài)金屬一般為非晶態(tài)，并非完全無(wú)序排列，在很小范圍內(nèi)有序，即近程有序，遠(yuǎn)程無(wú)序。純金屬的結(jié)晶：液態(tài)金屬結(jié)物示意圖全店的琴的是結(jié)晶過(guò)程能量狀態(tài)與溫度的關(guān)系結(jié)晶過(guò)程是

一

個(gè)自發(fā)過(guò)程，所以該過(guò)程是高能狀態(tài)向低能狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，即系統(tǒng)自由能降低的過(guò)程。交基響點(diǎn)壓出量；溫到°

郡智轉(zhuǎn)職學(xué)即士離《餅士平畢型s2當(dāng)T>

時(shí)，G<Gs,液相處于自由能氣低的穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)晶不可能進(jìn)行；只有當(dāng)T<乙時(shí)，C

結(jié)

的

才可能自發(fā)進(jìn)行?！鱐=TT,為過(guò)冷度。因此，液態(tài)全屬結(jié)晶的驅(qū)是由過(guò)冷提供的，過(guò)冷度越大，結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力也就越大。過(guò)冷度為零時(shí)，驅(qū)動(dòng)力就不復(fù)存在。所以液態(tài)金屬不會(huì)在沒(méi)有過(guò)冷度的

見(jiàn)下結(jié)晶。全身兔過(guò)冷度愈大，液態(tài)和固態(tài)之間能量狀態(tài)差就愈大，促使液體結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力就愈大。只有當(dāng)結(jié)最的驅(qū)

動(dòng)力達(dá)到一定值時(shí)，結(jié)晶過(guò)程才能進(jìn)行。所以，

結(jié)晶的必要而且充分條件是具有一

定的過(guò)冷度，

令速越大，過(guò)冷度越大。全

多規(guī)律，即冷卻曲線。在T?

溫度以上時(shí)，液態(tài)金屬的溫度是均勻下降的。當(dāng)冷卻到低于T。的某一個(gè)溫度動(dòng)，液態(tài)物質(zhì)開(kāi)始結(jié)晶，并不斷放出結(jié)晶潛熱，保持系統(tǒng)溫度不變，即在曲線上出現(xiàn)“平臺(tái)”。結(jié)晶完畢后，溫度繼續(xù)均勻下降。純金屬的冷卻曲線全金的路應(yīng)游物質(zhì)的冷卻過(guò)程中，可以用熱分折法來(lái)測(cè)定其溫度的變化當(dāng)液態(tài)金屬過(guò)冷到

一

定溫度時(shí)，一

些尺寸較大的近程原子集團(tuán)開(kāi)始變得穩(wěn)定，而成為結(jié)晶核心，又稱(chēng)為品核。形成的晶核按各自方向吸附周?chē)幼杂砷L(zhǎng)大，在長(zhǎng)大的同時(shí)又有新晶核出現(xiàn)、長(zhǎng)大。當(dāng)相鄰晶體被此接觸時(shí)，被迫停上長(zhǎng)大。而只能向尚未凝圖的液體部分伸展，直至全部結(jié)晶完畢。因此，在

一

般情況下金屬是由許多外形不規(guī)則、位向不同、大小不同的晶粒

組成的多晶體。金屬結(jié)晶的一般過(guò)程：金金的路的原明純金屬結(jié)晶的一般過(guò)程全基%晶核形成：(

1

)

自

發(fā)

形

核

(地全屬)

:

近

程

有

序

的

原

子

熱

團(tuán)

達(dá)

到一定過(guò)冷度時(shí)稱(chēng)為穩(wěn)定晶核，由自身產(chǎn)生。(

2

)

非

自

發(fā)

形

核

(

合

金

)

:

依

靠

懸

浮

在

熔

體

中

難嫁雜質(zhì)的固態(tài)題粒或有意加入固態(tài)微粒形成的晶核。全晶粒度及其控制；(1)晶粒大小與性能的關(guān)系：HOLL-PETCH關(guān)系。(2)

晶粒大小控制

(按制形核率↑);增大過(guò)冷度；變質(zhì)處理；振動(dòng)攪拌。全是金屬在固態(tài)下隨溫度的改變由

一

種晶格變?yōu)榱硪痪Ц竦默F(xiàn)象。常溫下同素異晶體用aDDODDDOOOOβOy□金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變；全

左

線

平液態(tài)鐵結(jié)晶后是體心立方晶格，稱(chēng)為δ-Fe

。在1394℃以下轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц瘢Q(chēng)為γ-Fe,γ-Fe

的

晶

核容易在δ-Fe的晶界上形成。γ-Fe

冷卻到912℃又要轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶

格，稱(chēng)為α-Fe。交

霧同素異晶轉(zhuǎn)變的規(guī)律與特點(diǎn)：有一定的轉(zhuǎn)變溫度、需要過(guò)冷、有潛熱生成，轉(zhuǎn)變過(guò)程仍舊是晶核的形成與長(zhǎng)大來(lái)完成。特點(diǎn)為：(1)受擴(kuò)散過(guò)程的影響，需要較大的過(guò)冷度(2)晶格變化引起體積變化，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；(3)新相晶核在舊相晶界或某些特定晶面上生成。金金

的

路

明影

響性能的

因

素?添加元素的種類(lèi)和數(shù)量、原子之間的相互作用以及澀皮成分等有關(guān)。相

圖

的

作

用?能反映出某一合金系成分、溫度與存在相之間的關(guān)系。相為

什么

添

加

元素?使材料的性能提高。相

圖L二元相圖合金中各組元在凝固過(guò)程中析出

移單質(zhì)、固溶體、化合物。對(duì)凝固過(guò)程基本規(guī)律的研究常以二元合全為對(duì)象；用二元系合金的凝固規(guī)律來(lái)分析多元系合金的凝固特征。相二元相圖的建立：常用熱分析法。4Ni二元

相圖

的

建立相所有二元相圖都是由共混、偏晶，包晶及勻晶(固溶體)四種基本相圖構(gòu)成的。勻

晶

相

圖兩組無(wú)液態(tài)時(shí)完全互溶，圓態(tài)時(shí)形成無(wú)限圍溶體的合金相圖相置勻晶凝固過(guò)

程相渾度/℃最常見(jiàn)的多相合金凝固是共晶凝固，

具有共晶成分Lg的

液

相在凝固過(guò)程中同時(shí)

有兩個(gè)固相析出。掃圖共

品

合

金

凝

固Wp/%時(shí)間擔(dān)O兩組元液態(tài)時(shí)完全互溶，固態(tài)時(shí)形成有限圖溶體的合金相圖包晶凝固圖，是波相L

和另一固相β反應(yīng)生成一個(gè)新的圓

相a,

即

L+β→a相面天新相A首先在L相與8相的相界上形核

并包著8μ相長(zhǎng)大故稱(chēng)效

包晶轉(zhuǎn)變。wcl%ne溫

度

/

℃偏晶凝圓與共晶相似，但析出相中有一相為淡相即由液

相L?

析

出W

及Lz,

即Lr-α+L?日共晶、偏晶及包晶轉(zhuǎn)支均是在恒

溫

下

進(jìn)

行共析轉(zhuǎn)變?cè)阼F-碳相圖中介紹